Symmetry and ordinary differential constraints

The representative generalized symmetries of any ordinary differential equation are described in terms of its invariants. This identifies the evolution equations compatible with a given constraint. The restriction of the flow of a compatible equation to the solution space of the constraint is generated by the corresponding internal symmetry. This reduces the evolution equation to a finite dimensional system of first-order ordinary differential equations. The Euler–Lagrange equation of any conserved density of a given evolution equation yields such a reduction. Other examples include the generalized method of separation of variables, the characterization of separable evolution equations, and the characterization of equations with complete families of wave solutions. A Newton equation is compatible with an ordinary differential constraint if and only if the constraint is affine, with force field symmetry, in which case the equation reduces to a finite-dimensional dynamical system. Newton equations with complete families of characteristic solutions reduce to central force problems on solution spaces of linear constraints.     

The solution for the generalized riccati algebraic equations of linear equality constraint system

Based on the dynamic equation, the performance functional and the system constraint equation of time-invariant discrete LQ control problem, the generalized Riccati equations of linear equality constraint system are obtained according to the minimum principle, then a deep discussion about the above equations is given, and finally numerical example is shown in this paper. Project supported by the National Natural Science Youth Foundation of China     

多体动力学程序切断铰的处理方法

多体系统动力学从非树系统派生出树系统的计算需要进行切断铰的处理。切断铰约束方程的形成是进行多体系统程序编写时的重要部分,其处理过程复杂,需要一定的技巧。本文引入了约束正交补轴的概念,详细介绍了几种典型(旋转铰、万向节、棱柱铰、旋转棱柱组合铰)切断铰位移约束方程、速度约束方程、加速度约束方程的形成方法,并给出了详细的程序化过程,该方法适用于任何类型的切断铰。最后给出相应算例,结果表明本文的方法能快速、正确地形成切断铰约束方程。     

一类偏微分方程的Hamilton正则表示

主要给出一系列关于力学中的偏微分方程的无穷维Ｈａｍｉｌｔｏｎ正则表示．其中包括变系数线性偏微分方程,ＫｄＶ方程,ＭＫｄＶ方程,ＫＰ方程,Ｂｏｕｓｉｎｅｓｑ方程等的无穷维Ｈａｍｉｌｔｏｎ正则表示．     

外共振耦合Duffing-van der Pol系统的首次穿越

研究了谐和力与宽带噪声激励下二自由度强非线性Duffing-van derPol系统的首次穿越问题. 在外共振情形, 应用随机平均法将系统动力学方程化为关于振幅与角变量的Itô随机微分方程. 然后建立了系统的可靠性函数满足的后向Kolmogorov方程以及平均首次穿越时间满足的Pontryagin方程. 在一定的边界条件和初始条件下, 用有限差分法求解了这两个高维偏微分方程, 得到系统的条件可靠性函数、平均首次穿越时间以及平均首次穿越时间的条件概率密度. 讨论了不同参数对系统可靠性以及平均首次穿越时间的影响. 用Monte Carlo数值模拟验证了理论方法的有效性.     

关于分析力学中约束力的表达问题

本文针对分析力学中约束力表达式是否合理的问题,分析了约束、约束方程、约束力、位移和运动学限制等概念之间的关系并建议了一个新的关系,指出：（１）即使是理想约束,约束力也只能由约束而不是由约束方程统一确定;（２）实现运动学限誓由蝗途径不是唯一的,约束力的乘子表达式不是普遍适用的。给出了对于具体的约束,约束力表达式正确与否的判别原则。示例说明了上述论点。     

Stochastic differential equations for the kinetic and hydrodynamic equations

A finite system of stochastic interacting particles is considered. The system approximates the solutions of the kinetic equations (the Boltzmann equation, the Boltzmann-Enskog equation) as well as the solutions describing the macroscopic evolution of fluids: the Euler and the Navier-Stokes hydrodynamic equations.     

基于祖冲之类方法具有保辛性

分析微分-代数方程的祖冲之类算法可以在时间格点上精确满足约束方程,计算格式简单,易于编程计算,因此十分实用。本文证明,基于祖冲之类方法不仅保约束,同时还保辛。     

THE DERIVATION OF REYNOLDS TRANSPORT EQUATION FOR ARBITRARY MOTION CONTROL VOLUME BASED ON THE DYNAMIC BOUNDARY CALCULUS

严格而言,流体力学中所有守恒定律均是针对物质体系的(或称流体系统),如质量、动量、动量矩和能量等守恒定律。如果跟随物质体系描述和表征流体质点系的运动行为,即为Lagrange描述方法;如果把物质体系的运动和守恒定律转换到空间坐标系中,即为人们常说的Euler描述方法。因此,对于具体考察(跟随的)的流体物质系统而言,各守恒定律存在由物质体系表征到空间体系表征的转换,这个转换关系就是著名的Reynolds输运方程。本文从动边界微积分关系式出发,系统推导了在不同运动速度控制体上的雷诺输运方程,并通过讨论进一步阐明各种不同形式输运方程的物理意义。     

Impact of singularity of Navier-Stokes equation upon atmospheric motion equations

Some conclusions about the smooth function classes stability for the basic system of equations of atmospheric motion and instability for Navier-Stokes equation are summarized. On the basis of this, by taking the basic system of equations of atmospheric motion via Boussinesq approximation as example to explain in detail that the instability about some simplified models of the basic system of equations for atmospheric motion is caused by the instability of Navier-Stokes equation, thereby, a principle to guarantee the stability of simplified equation is drawn in simplifying the basic system of equations.     

ON THE NONHOLONOMIC CONSTRAINTS AND MOTION CONTROL OF WHEELED MOBILE STRUCTURES1)

当质点沿光滑曲线运动时,必须满足横向速度为零的条件.同样地,不同轮式移动结构在平面上做光滑曲线运动时都需要满足该非完整约束条件.本文结合轮子转速和它们运动速度的完整约束关系,理清各轮式移动结构的完整和非完整约束,然后利用 Euler-Lagrange 方程方便地推导出相应的动力学方程.另外,通过该非完整约束,将目标轨迹曲线转化为速度目标的形式,然后引入目标轨迹曲线的相对曲率设计合适的动态跟踪目标.进一步,通过采用该动态跟踪目标可以将轮式移动结构的运动规律和动力学方程有机结合起来,并将原运动任务简化为一般的 轨迹 控制问题.基于该动态跟踪目标可以为轮式移动结构设计合适的鲁棒跟踪控制器,通过跟踪目标轨迹曲线的相对曲率来实现对目标曲线的精确跟踪.最后,理论分析和仿真结果显示,采用动态目标跟踪方法能够从根本上解决初始速度误差过大和位置误差不断被累积的问题,即使前向速度误差系统不稳定的,实际运动轨迹也几乎能和目标轨迹曲线重合.     

论轮式移动结构的非完整约束及其运动控制

当质点沿光滑曲线运动时,必须满足横向速度为零的条件.同样地,不同轮式移动结构在平面上做光滑曲线运动时都需要满足该非完整约束条件.本文结合轮子转速和它们运动速度的完整约束关系,理清各轮式移动结构的完整和非完整约束,然后利用 Euler-Lagrange 方程方便地推导出相应的动力学方程.另外,通过该非完整约束,将目标轨迹曲线转化为速度目标的形式,然后引入目标轨迹曲线的相对曲率设计合适的动态跟踪目标.进一步,通过采用该动态跟踪目标可以将轮式移动结构的运动规律和动力学方程有机结合起来,并将原运动任务简化为一般的 轨迹 控制问题.基于该动态跟踪目标可以为轮式移动结构设计合适的鲁棒跟踪控制器,通过跟踪目标轨迹曲线的相对曲率来实现对目标曲线的精确跟踪.最后,理论分析和仿真结果显示,采用动态目标跟踪方法能够从根本上解决初始速度误差过大和位置误差不断被累积的问题,即使前向速度误差系统不稳定的,实际运动轨迹也几乎能和目标轨迹曲线重合.      

THE HISTORICAL CONTRIBUTION OF BERNOULLI'S EQUATION TO THE ESTABLISHMENT OF FLUID MECHANICS THEORY

著名的理想流体定常流动的能量方程即伯努利方程,自建立以来在流体力学领域中贡献卓著。本文依据伯努利方程的建立内涵,阐述了其在流体静力学、定常孔口出流、皮托管测速、文丘里管流量和翼型绕流等具体流动中的成功应用。同时,进一步说明了由伯努利方程建立提出的局部跟随流体质点的建模思想,被欧拉概括为描述流体运动的流场法,是建立欧拉方程组和N-S方程组的基本依据,也为后来湍流理论、边界层理论、气动噪声等理论的建立奠定了基础。     

近岸非平整海底上耗散动力系统的广义波作用量守恒方程

为刻划近岸波-流-海底相互作用耗散动力系统的多种复杂作用机制，着眼于波浪对近岸大尺度变化环境流作用和考虑多变海底地形(可典型地刻划为由慢变水深和快变水深构成)的影响，由基于黏性流体Navie-Stokes方程的平均流方程，建立了近岸耗散动力系统的广义波作用量守恒方程，从中提出垂向速度波作用量和耗散波作用量这两种新概念，使得它们和经典的波作用量相互间达成了一种互补、协调而又主次分明的更为广泛的守恒形式．从而把波作用量这一经典概念从理想的平均流守恒系统引申到实际的平均流耗散系统(即广义守恒系统)中去，为解释沿岸过程和应用于近海、海岸工程提供了一个理论基础．     

广义Stokes方程的完全边界积分表示式及其在求解N-S方程中的应用

为了分解N-S方程组各变量相互偶合,本文采用Peaceman-Rachford算子分裂法,将时间相依的N-S方程组分解成不存在上述偶合特性的线性和非线性的子问题。线性子问题具有广义Stokes方程类型。本文采用多重互易法,即采用多阶拉普拉斯算子基本解逐步变换,将其解表示成完全边界积分形式,从而使问题的计算维数降低一维。广义Stokes方程的算例以及二维圆柱在剪切流中的Stokes绕流解,都表明多重互易算法具有高效特点,而且后者与文[3]解析解吻合得非常好。     

多体系统中的冗余约束

冗余约束主要起因于系统奇异构型以及切断铰约束方程的自动生成, 它的存在对多体系统建模和求解都提出了更高的要求. 为了使系统运动方程可解, 需要从系统约束中分离出一组独立约束, 不同的独立约束组往往造成数值分析结果的不同, 但本文严格证明了理论上它们是一致的. 冗余约束在很大程度上加大了系统奇异构型附近违约量控制的难度. 针对这一困难, 本文提出了一种将约束稳定化和违约修正相结合的方法, 数值算例证明了方法的有效性. 鉴于物体的受力分析是实际工程的迫切需要也是多体系统动力学核心任务之一, 本文研究了冗余约束对约束反力的影响, 给出了判别铰约束反力是否唯一的实用准则, 针对两个铰连接同一对物体而引起的冗余约束, 提出了铰合成原理及其求解各自铰内接触力的方法, 并通过数值算例说明了方法的可行性.      

ON THE RELATIONSHIP BETWEEN THE VACCO MODEL AND CHETAEV MODEL

In this paper,the geometric property and the mechanical property ofnon-holonomic constraints are studied.Vacco equation is obtained by using theclassical Hamilton principle.On the basis of Vacco equation,Chetaev condition isobtained by using mechanics principle of determining the ideal constraint.It is pointedout that the Vacco model is compatible with Chetaev model,so these two kinds ofmodels are unified.     

ON THE REAL DISPLACEMENT AND THE VIRTUAL DISPLACEMENT——AN IN-DEPTH DISCUSSION STARTING FROM THE CONCEPT OF NULL-WORK CONSTRAINT

阐述了分析力学中“理想约束”与理论力学动能定理部分“理想约束”概念的区别,举例说明了由此同名可能导致的问题,并建议在动能定理部分使用“无功约束”或“零功约束”的概念,以保持力学概念的一致性和独立性;对微分形式的动能定理在广义坐标空间进行变换得到了以广义坐标微分为指标的和式形式,并通过与Lagrange 方程的比较及实例论证了不能由此而得到系统动力学方程的原因。上述内容均从不同侧面反映了实位移与虚位移的本质区别,因此可作为对实位移与虚位移概念进行深刻理解的一种途径。     

含摩擦与碰撞平面多刚体系统动力学线性互补算法

基于接触力学理论和线性互补问题的算法, 给出了一种含接触、碰撞以及库伦干摩擦, 同时具有理想定常约束(铰链约束) 和非定常约束(驱动约束) 的平面多刚体系统动力学的建模与数值计算方法. 将系统中的每个物体视为刚体, 但考虑物体接触点的局部变形, 将物体间的法向接触力表示成嵌入量与嵌入速度的非线性函数,其切向摩擦力采用库伦干摩擦模型. 利用摩擦余量和接触点的切向加速度等概念, 给出了摩擦定律的互补关系式; 并利用事件驱动法, 将接触点的黏滞-滑移状态切换的判断及黏滞状态下摩擦力的计算问题转化成线性互补问题的求解. 利用第一类拉格朗日方程和鲍姆加藤约束稳定化方法建立了系统的动力学方程, 由此可降低约束的漂移, 并可求解该系统的运动、法向接触力和切向摩擦力, 还可以求解理想铰链约束力和驱动约束力. 最后以一个类似夯机的平面多刚体系统为例, 分析了其动力学特性, 并说明了相关算法的有效性.      

空间展开折叠桁架结构动力学分析研究

本文以笛卡尔坐标系下节点自然坐标为未知量,建立了桁架结构系的基本运动力学方程,并首次推导出桁架结构中常用节点附加几何约束方程,相应约束Jacobi矩阵及其导数矩阵,采用奇异值分解法求约束Jacobi矩阵的零空间基和M-P广义逆,并由矩阵缩减法建立了带约束桁架体系的运动力学方程和求解方法。数值算例表明该方法适于可展折叠桁架结构运动力学分析。